Nueva lente de rayos X permite vislumbrar el nanomundo

Científicos de PSI han desarrollado una lente acromática innovadora para rayos X.

Esto permite que los haces de rayos X se enfoquen con precisión en un solo punto, incluso si tienen diferentes longitudes de onda.

La nueva lente hará que sea mucho más fácil estudiar nanoestructuras usando rayos X.

Las lentes acromáticas son esenciales para producir imágenes nítidas en fotografía y microscopios ópticos.

Aseguran que los diferentes colores, es decir, la luz de diferentes longitudes de onda, tengan un punto focal común.

Sin embargo, hasta la fecha, las lentes acromáticas no han estado disponibles para rayos X, por lo que la microscopía de rayos X de alta resolución solo ha sido posible con rayos X monocromáticos.

En la práctica, esto significa que todas las demás longitudes de onda deben filtrarse del espectro del haz de rayos X y, por lo tanto, solo una pequeña parte de la luz puede usarse de manera efectiva, lo que resulta en un proceso de captura de imágenes relativamente ineficiente.

Un equipo de científicos de PSI ahora ha resuelto este problema al desarrollar con éxito una lente de rayos X acromática para rayos X.

Dado que los rayos X pueden revelar estructuras mucho más pequeñas que la luz visible, la innovadora lente beneficiará especialmente el trabajo de I+D en sectores como los microchips, las baterías y la ciencia de los materiales, entre otros.

El hecho de que haya sido necesario hasta ahora desarrollar una lente acromática para rayos X puede parecer sorprendente a primera vista: para la luz visible, las lentes acromáticas existen desde hace más de 200 años.

Estas suelen estar compuestas por dos materiales diferentes.

La luz penetra en el primer material y se divide en sus colores espectrales, como cuando pasa a través de un prisma de vidrio convencional.

Luego pasa a través de un segundo material para revertir este efecto.

En física, el proceso de separar diferentes longitudes de onda se llama “dispersión”.

“Sin embargo, este principio básico aplicado en el rango visible no funciona en el rango de rayos X“, explica el físico Christian David, jefe del grupo de investigación de Óptica y Aplicaciones de Rayos X en el Laboratorio de Nanociencia y Tecnologías de Rayos X de PSI.

“Para los rayos X, no existe un par de materiales cuyas propiedades ópticas difieran lo suficiente en un amplio rango de longitudes de onda para que un material compense el efecto del otro.

En otras palabras: la dispersión de materiales en el rango de rayos X es demasiado similar.“

Entonces, en lugar de buscar la respuesta en la combinación de dos materiales, los científicos vincularon dos principios ópticos diferentes.

“El truco fue darnos cuenta de que podíamos colocar una segunda lente refractiva frente a nuestra lente difractiva“, dice Adam Kubec, autor principal del nuevo estudio.

“Durante muchos años, PSI ha sido líder mundial en la producción de lentes de rayos X“, dice David.

“Suministramos lentes especializados, conocidos como placas de zona de Fresnel, para microscopía de rayos X en fuentes de luz de sincrotrón en todo el mundo“.

El grupo de investigación de David utiliza métodos establecidos de nanolitografía para producir lentes de difracción.

Sin embargo, para el segundo elemento de la lente acromática, la estructura refractiva, se necesitaba un nuevo método que solo recientemente está disponible: la impresión 3D en la escala micrométrica.

Esto finalmente permitió a Kubec producir una forma que se asemeja vagamente a un cohete en miniatura.

La lente recientemente desarrollada permite el salto de la aplicación de investigación a la microscopía de rayos X en uso comercial, por ejemplo, en la industria.

“Las fuentes de sincrotrón generan rayos X de una intensidad tan alta que es posible filtrar todas las longitudes de onda menos una sola y al mismo tiempo conservar suficiente luz para producir una imagen“, explica Kubec.

Sin embargo, los sincrotrones son instalaciones de investigación a gran escala.

Hasta la fecha, al personal de I+D que trabaja en la industria se le asigna un tiempo de haz fijo para realizar experimentos en sincrotrones en institutos de investigación, incluido Swiss Light Source SLS en PSI.

Este tiempo de haz es extremadamente limitado, costoso y requiere una planificación a largo plazo.

“A la industria le gustaría tener bucles de respuesta mucho más rápidos en sus procesos de I+D“, dice Kubec.

“Nuestra lente de rayos X acromática ayudará enormemente con esto: Permitirá microscopios de rayos X compactos que las empresas industriales puedan operar en sus propias instalaciones“.

Junto con XRnanotech, PSI planea comercializar la nueva lente. Kubec dice que ya tienen contactos adecuados con empresas especializadas en la construcción de instalaciones de microscopía de rayos X a escala de laboratorio.

Para caracterizar su lente de rayos X acromáticos, los científicos utilizaron una línea de luz de rayos X en SLS.

Uno de los métodos empleados allí es una técnica de microscopía de rayos X muy desarrollada llamada pticografía.

“Esta técnica se usa normalmente para examinar una muestra desconocida“, dice la segunda autora del estudio, Marie-Christine Zdora, física que trabaja en el grupo de investigación de Christian David y experta en imágenes de rayos X.

“Nosotros, por otro lado, usamos ptychography para caracterizar el haz de rayos X y, por lo tanto, nuestra lente acromática“.

Esto permitió a los científicos detectar con precisión la ubicación del punto focal de rayos X en diferentes longitudes de onda.

Además, probaron la nueva lente utilizando un método en el que la muestra se mueve a través del foco del haz de rayos X en pequeños pasos de trama.

Cuando se cambia la longitud de onda del haz de rayos X, las imágenes producidas con una lente de rayos X convencional se vuelven muy borrosas.

Esto, sin embargo, no sucede cuando se utiliza la nueva lente acromática.

“Cuando finalmente obtuvimos una imagen nítida de la muestra de prueba en una amplia gama de longitudes de onda, supimos que nuestra lente estaba funcionando“, dice Zdora encantada.

David agrega:

“El hecho de que pudiéramos desarrollar esta lente de rayos X acromática en PSI y pronto la lanzaremos al mercado con XRnanotech demuestra que el tipo de investigación que hacemos aquí puede conducir a aplicaciones prácticas en un período muy corto de tiempo“

Fuente: Nature